高水充填沿空留巷支护优化设计.pdf

分类号 TD32 密 级 公 开 UDC 单位代码 10076 工程硕士学位论文 高水充填沿空留巷支护优化设计 作 者 姓 名 马 强 指 导 教 师 高永格 企 业 导 师 魏永军 申请学位级别 工程硕士 专 业 领 域 矿业工程 所 在 单 位 资源学院 授予学位单位 河北工程大学 万方数据 A Dissertation ted to Hebei University of Engineering For the Degree of Master of Engineering The The O Optimum ptimum D Design of the esign of the H High igh WWater ater F Filling illing A Along the long the A Air ir R Retaining etaining R Roadwayoadway Candidate MaQiang Supervisor GaoYongGe Pluralistic Supervisor WeiYongJun Academic Degree Applied for Master of Engineering Specialty Mining Engineering School/Department College of Resources Hebei University of Engineering December, 2015 万方数据 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 河北工程大学河北工程大学 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签字 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河北工程大学河北工程大学 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权 河北工程大学河北工程大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签字 签字日期 年 月 日 导师签字 签字日期 年 月 日 万方数据 摘 要 I 摘 要 本文以云驾岭煤矿 12305 工作面运输平巷为背景，运用数值模拟、工程监测 等方法，研究了高水巷旁充填沿空留巷技术的应用。论文采用理论分析、数值模 拟和工程实测的方式，对比分析不同沿空巷道围岩及充填体应力应变发展规律， 对沿空留巷以及巷旁充填体在不同采掘阶段的受力变化及变形特点进行分析，得 出沿空留巷高水巷旁充填体位置较为合理的方式及充填体受力特点等规律性的认 识。 通过实验室实验，研究了水灰比为 1.8 情况下高水材料的初凝时间、强度随 养护时间变化的特点及其破坏特征等特性，实验结论可以为高水材料巷旁充填体 尺寸参数的选取、下区段巷道支护设计等提供参考。最后通过现场实测，对高水 巷旁充填体在工作面回采期间的受力进行实测分析，验证了充填体尺寸参数、巷 旁充填体材料配比选择的合理性，结论为下区段工作面回采、巷道支护及沿空留 巷提供理论依据。 本文研究表明，可将巷道受工作面回采影响分为一次采动前影响区（测站 距工作面 60 米～10 米） 、一次采动影响剧烈区（测站距工作面 10 米～-10 米） ， 一次采动后影响区（测站在工作面-10 米～-55 米处） 、留巷稳定区（-55 米以远） 。 关键词沿空留巷；高水充填；巷旁充填；充填位置；数值模拟 万方数据 Abstract II Abstract The cloud driving ridge mine 12305 face transport drift as the background, the use of numerical simulation and engineering monitoring to study the high water alley next to the filling of gob roadway technology application. In this thesis, based on theoretical analysis, numerical simulation and engineering test, comparison and analysis of different along the roadway surrounding rock and backfill should strain development law, along goaf left lane and roadside backfill in the analysis of stress and deation characteristics of the different mining stages that gob High Roadway side packing body position is more reasonable and the filling body force characteristics of regular understanding. The characteristics of initial setting time and strength of high water material with the water cement ratio 1.8, and the characteristics of damage characteristics and damage characteristics were studied. Finally through field measurement, on the high water alley beside filling body in the working face during mining stress are measured and analyzed to verify the size parameters of filling body, roadside backfill material ratio selection of rationality, the conclusion section work face mining, roadway and gob provide theoretical basis. This paper shows that the impact of the roadway can be divided into first mining area 60 m from the working surface of the working surface 10 m m, a mining dynamic impact area measuring station 10 m -10 m, a mining area measured at the working surface of -55 m -10 M, leaving the lane area greater than -55 m. Keywords gob-side entry retaining; high-water packing; roadside packing; filling body positon ; numerical simulation 万方数据 目 录 目 录 摘 要.............................................................. I Abstract ........................................................................................................................ II 第 1 章 绪论................................................................................................................ 1 1.1 课题研究背景.................................................................................................... 1 1.2 课题研究目的及意义........................................................................................ 2 1.3 国内外研究现状................................................................................................ 2 1.4 主要研究内容及方法........................................................................................ 4 第 2 章 沿空留巷围岩矿压显现规律.......................................................................... 5 2.1 12305 工作面简介............................................................................................. 5 2.1.1 地质概况..................................................................................................... 5 2.1.2 生产技术条件............................................................................................. 5 2.2 采场矿压............................................................................................................ 6 2.3 沿空巷道覆岩运动规律.................................................................................... 7 2.3.1 覆岩断裂移动规律..................................................................................... 7 2.3.2 老顶垮落对留巷的影响............................................................................. 9 2.4 沿空巷道围岩应力分布特点.......................................................................... 10 2.4.1 沿空巷道上下帮应力分布....................................................................... 10 2.4.2 沿空巷道受工作面支撑压力作用........................................................... 12 2.5 围岩与充填体相互做用机理.......................................................................... 13 2.5.1 充填体与顶板力学简化模型................................................................... 13 2.5.2 顶板与充填体的应力应变关系............................................................... 15 2.5.3 顶板与充填体刚度和强度耦合............................................................... 16 2.6 本章小结.......................................................................................................... 17 第 3 章 数值模拟分析高水充填体支护参数.......................................................... 19 3.1 数值分析计算原理.......................................................................................... 19 3.2 数值分析模型建立.......................................................................................... 20 3.3 数值分析.......................................................................................................... 25 3.3.1 垂直应力对比分析................................................................................... 25 3.3.2 水平应力对比分析................................................................................... 27 万方数据 目 录 3.3.3 垂直位移对比分析................................................................................... 29 3.3.4 水平位移对比分析................................................................................... 32 3.4 本章小结.......................................................................................................... 35 第 4 章 充填体支护参数设计.................................................................................. 37 4.1 充填材料选择.................................................................................................. 37 4.2 高水材料力学性能试验研究.......................................................................... 38 4.2.1 试件形状对强度的影响........................................................................... 39 4.2.2 加载速率对强度的影响........................................................................... 40 4.2.3 水温对强度的影响................................................................................... 41 4.2.4 现场材料试验........................................................................................... 42 4.2.5 试验总结................................................................................................... 43 4.3 充填体位置选择.............................................................................................. 44 4.4 充填体形状选择.............................................................................................. 45 4.5 本章小结.......................................................................................................... 47 第 5 章 高水材料沿空留巷工业性实践及矿压监测分析........................................ 49 5.1 矿压观测......................................................................................................... 49 5.1.1 观测内容.................................................................................................. 49 5.1.2 测站布置................................................................................................... 49 5.1.3 测点布置................................................................................................... 49 5.2 数据分析.......................................................................................................... 55 5.2.1 巷道表面围岩变形观测........................................................................... 55 5.2.2 巷道围岩应力观测................................................................................... 59 5.2.3 锚杆、锚索受力观测............................................................................... 60 5.2.4 充填体受力观测....................................................................................... 64 5.2.5 充填体变形观测....................................................................................... 66 5.3 本章小结.......................................................................................................... 67 结 论............................................................................................................................ 69 致 谢............................................................................................................................ 71 参考文献...................................................................................................................... 73 作者简介...................................................................................................................... 77 发表论文和参加科研情况说明.................................................................................. 79 万方数据 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景 在全世界范围内我国是煤炭生产与消费第一大国， 能源消费结构中一次性消 费能源，煤炭资源大约占 75％以上，伴随着我国经济的高速发展，煤炭资源作 为主要生产能源占到了极大的比重，因此，在未来一段时期内，中国以煤炭为主 要能源的生产和消费结构不会发生太大改变[1]。目前，我国煤矿中井工开采方式 约占 94， 而在井工开采中， 我国煤矿多以先浅部后深部的开拓方式进行开采部 署，在煤矿深部开采中，我们面临很多问题，如冲击地压、水害影响、瓦斯爆炸、 地表沉陷等。煤炭资源作为一次性能源，我们必须要充分利用，使得煤炭资源更 持久的对我国经济发展起到积极作用， 因此， 合理的开发和有效的利用煤炭资源， 避免煤炭在地表下的浪费成为我们首要解决的问题。 我国是一个多煤少油的国家，煤炭储量极其丰富。在我国现有生产矿井中， 厚煤层占到了很大的比例，并且，在矿井煤炭总储量中，厚煤层的可采储量也占 据了很大的比例。 在开采厚煤层时， 采用留煤柱护巷方式一般需要留设 10～30m 的煤柱， 煤柱的产生造成了煤炭资源的浪费， 在某种程度上增加了煤矿生产成本， 同时降低了煤炭采出率。在我国煤矿生产中，区段煤柱损失已高达 10％～30％。 随着煤矿企业的综合发展和国内外学者的研究与试验， 在矿井中采用区段无煤柱 护巷技术对于合理开采中厚煤层及维护巷道起到了积极的作用[2-5]。 区段无煤柱护巷的原理在于，区段平巷沿着采空区布置，这样可以避开或减 弱固定支承压力的影响，有利于巷道维护并减少了煤炭损失，以提高经济效益。 区段无煤柱护巷分为沿空留巷和沿空掘巷两种。 沿空留巷是将回采工作面后方即将报废的回采巷道通过一些技术途径使其 保留下来的一种支护技术。此技术具有煤炭回收率高、巷道掘进率低以及可缓解 采掘接替紧张等诸多优点。传统的留巷方式主要有密集支柱、在巷旁架设木垛、 矸石带或混凝土砌块等，但由于增阻速度、密封性能、支承能力、木材消耗和机 械化程度等方面的原因，在矿井实际应用中仍然存在着许多问题。近些年来，随 着新技术、新材料的出现，采用高水材料进行整体浇注的巷旁充填技术已成为实 施沿空留巷的一种趋势[6-9]。 万方数据 第 1 章 绪论 2 1.2 课题研究目的及意义 采用沿空留巷提高了煤炭的采出率，减少了巷道掘进量，提高了煤矿的经济 效益。沿空留巷适用于煤层地质条件比较好的工作面，但对于构造复杂、巷道应 力较大等不利于巷道稳定的条件存在时，使得巷道留设困难，有时甚至需要重新 开掘下区段的回风巷，在以上情况下，沿空留巷的优点就无法体现出来了[10]。 沿空掘巷是区段平巷沿着采空区边缘掘进， 利用采空区边缘部压力比较小的 特点， 沿着上覆岩层已垮落并稳定的采空区边缘进行巷道掘进，这有利于区段平 巷在掘进和生产期间的维护。根据上述巷旁充填沿空留巷中存在的一些问题，如 果将高水巷旁整体浇注与沿空留巷结合起来，即高水巷旁充填沿空留巷。使高水 充填体沿着原巷道采空区侧进行灌注，待下区段工作面开采时，继续采用沿空留 巷技术，则可解决上述问题，故巷旁充填体的力学稳定性和沿空留巷的合理时机 是该方法中最需要解决的关键问题[11-13]。 云驾岭煤矿 12305 运巷采用沿空留巷护巷方式，以高水充填体作为巷旁支 护， 将运输巷保留作为下个工作面的回风巷。 沿空留巷位于上区段采空区下边缘， 留巷将依次经历本工作面采动影响阶段、 留巷期间巷道围岩变形阶段及下区段工 作面回采多重影响阶段，引起沿空巷道围岩应力多次重新分布，造成巷道围岩及 充填体出现变形。由此可知，留巷稳定性直接影响着下区段工作面的正常回采、 通风、运输等重要环节，所以，对现有留巷进行矿压监测及优化设计对安全回采 具有重要意义。 1.3 国内外研究现状 世界一些主要产煤国家对沿空留巷的矿压显现、适用条件、合理支护形式及 新型支护材料等都进行了大量研究， 在这方面做得较多的是前苏联、 德国、 英国、 波兰等国家。 前苏联在现场对许多专门为沿空留巷设计的支架进行了试验， 并结合理论分 析和实验室研究进行了各种实测工作，据报导，至 1993 年，俄罗斯无煤柱开采 产量占 80，对不同矿区变动在 60～90之间，在各种无煤柱护巷方式中，应 用最广的是沿空留巷，占 65。 德国无煤柱开采多为沿空留巷，其传统的巷旁支护多采用木垛、矸石带等， 60 年代末德国根据本国资源特点，研究成功了采用石膏、飞灰加硅酸盐水泥、 矸石加胶结料等低水材料作为巷旁充填，有效地减少了重型支架和巷道的变形， 万方数据 第 1 章 绪论 3 从而实现 14～18 m2 断面巷道第二次利用，且不需修理，取得了良好经济效益。 目前，该国有 1/2～2/3 的沿空留巷采用这项技术。而且，德国在埋深 800～1000 m 的煤层开采中成功地运用了沿空留巷技术， 并通过实测得出了预计留巷移近量 的经验公式。 英国煤层普遍较薄，多用沿空留巷，巷旁支护多采用矸石带，并研制出了矸 石带机械化砌筑装置。同时，在提高矸石带强度方面进行了不少探索，研制成功 不同胶结物的胶结矸石带。1979 年在井下试验成功了高水材料巷旁充填，随后 有了迅速的发展，高水材料充填己占全英巷旁充填的 90左右。 波兰无煤柱开采应用较多的是沿空留巷， 在前进式或后退式采煤时都用单巷 准备， 沿空留巷应用于走向开采或倾斜开采根据备件而定。沿空留巷一般巷内支 护采用金属可缩性支架，巷旁支护使用充填带、矸石带或混凝土墩柱等[14]。 我国沿空留巷发展始于 20 世纪 50 年代，首先在一些薄煤层开采中用矸石 带代替煤柱作为巷旁支护用，如淄博、鸡西、本溪、双鸭山、枣庄、峰峰等矿区 薄煤层中都有应用。但由于矸石的沉缩量大，不能与巷内支架相匹配，使得巷内 支架变形严重，维护工作量大，并没有形成完整和系统的无煤柱开采技术体系。 20 世纪 60、70 年代在中厚煤层应用密集支柱、木垛、砌块等作为巷旁支 护取得一定成效， 但这些方法又各有优缺点。 例如， 平顶山一矿在丁组中厚煤层， 沿空留巷采用密集支柱及抬棚作巷旁支护， 巷内支架应用工字钢打立柱加强支护 试验取得成功。此阶段沿空留巷的研究是以实测为基础的宏观规律描述阶段，主 要是在现场实测沿空留巷围岩变形，支架载荷和与回采工作面距离关系的基础 上， 根据实测曲线从宏观角度描述具体地质条件下沿空留巷的矿压显现规律。该 阶段的主要成果是，比较正确地描述了沿空留巷的若干矿压显现规律，总结出了 当时在顶板中等稳定、 底鼓不严重的薄及中厚水平煤层及缓斜煤层条件适用的沿 空留巷开采技术。其缺陷是，尚不能正确预测不同地质条件下沿空留巷的矿压显 现特征，当条件改变时，就需要重新试验，形成了试而再试的经验研究模式，使 沿空留巷中的很多基本问题都未得到解决。 在 20 世纪 80 年代，随着我国煤矿大力推行综合机械化采煤后，随着采高 不断增大、工作面推进加快、巷道顶底移近量增大，我国煤矿工作者在引进、吸 收国外的巷旁充填技术的同时，发展了高水巷旁充填护巷技术。但高水充填材料 强度低、强度增加慢、易风化碎裂，墙体难以承受采动引起的动压影响，巷道难 以维护。高水充填材料的性能差加之充填速度无法紧跟快速推进的工作面，不能 实现与高产工作面同步推进，因此，此项技术的应用受到了很大的制约。 20 世纪 90 年代以来，我国有些学者在厚煤层综放工作面进行了一些沿空 留巷研究，如潞安矿务局常村煤矿综放工作面，巷内采用锚梁网索联合支护，巷 万方数据 第 1 章 绪论 4 旁支护采用高水材料充填加空间锚栓加固技术， 成功地进行了综放大断面沿空留 巷试验[15-22]。 1.4 主要研究内容及方法 （1）研究内容 针对云驾岭煤矿现有巷道断面及充填体尺寸， 对比研究不同留巷宽度的条件 下的巷道围岩力学响应特征，主要包括如下几个方面 ①巷道（采空区）上覆、下伏岩层应力分布状态及演化规律； ②不同留巷宽度充填体受力状态、充填体内部应力分布规律； ③不同留巷宽度充填体垂直、水平变形规律； ④充填体及附近顶、底板岩层塑性破坏区发育范围。 （2）研究方法 为了更好地对巷旁充填体参数进行优化，在保证留巷稳定的同时，设计合理 的充填体宽度和留巷宽度，根据矿压实际观测结果及云驾岭煤矿二采区 12305 工作面运巷地质条件及实际工程条件，采用 FLAC3D数值模拟软件构建对比研究 模型， 并通过后处理获得不同条件下沿空留巷稳定性的模拟结果。通过对充填体 应力分布、变形监测等特征的分析，拟获得较为合理的充填体宽度和留巷宽度。 万方数据 第2章 沿空留巷围岩矿压显现规律第 2 章 沿空留巷围岩矿压显现规律第 2 章 沿空留巷围岩矿 压显现规律 5 第 2 章 沿空留巷围岩矿压显现规律 2.1 12305 工作面简介 2.1.1 地质概况 12305 工作面位于井田南部采区， 采区四周以断层为界， 本区域为背斜构造， 采区走向 NE，倾向为 SE，煤层倾角 1123，平均倾角 17，煤层整体赋存 稳定，倾角变化较小。12305 工作面位于采区上部第二区段，平均标高-340m， 12305 运输平巷与回风平巷沿煤层地板布置， 12305 工作面平面图如图 2-1 所示。 图 2-1 12305 工作面平面图 Fig.2-1 12305working surface plan 12305 工作面回采 2煤层，通过 12305 区段平巷、邻近巷道及钻孔揭露，该 工作面所处区域煤层赋存稳定，无断层、陷落柱等复杂地质构造，煤层厚度 3.07m5.13m 之间，平均厚度 4.1m，煤层下部有 0.20.3m 厚粉砂岩夹矸，夹矸 平均厚度 0.25m。 区内 6508、6510、6612 等钻孔揭示，煤层直接顶板以中细粒砂岩为主，局 部赋存粉砂岩、泥岩和岩浆岩，直接顶后 2.4615.05m。直接顶砂岩岩石单轴抗 压强度为 5588MPa，属于将稳定稳定岩层；粉砂岩、泥岩单轴抗压强度为 2460MPa，属于较稳定稳定岩层。 直接底主要成分为粉砂岩和泥岩，局部可见中细粒砂岩，局部伪底成分为泥 岩、炭质泥岩。地板中细粒砂岩单轴抗压强度为 4255MPa，属于较稳定稳定 岩层；粉砂岩强度指数约为 30MPa，属于不稳定较稳定岩层。 2.1.2 生产技术条件 万方数据 第2章 沿空留巷围岩矿压显现规律第 2 章 沿空留巷围岩矿压显现规律第 2 章 沿空留巷围岩矿 压显现规律 6 12305 工作面回采煤层平均厚度 4.1m，全区稳定，属于缓倾斜煤层，顾采用 走向长壁一次采全高回采工艺，工作面主要生产服务设备见表 2-1。 表 2-1 12305 工作面设备清单 Tab 2-1 12305 face main device name 设备名称 型号 单位 数量 采煤机 MG300/700-WDK 台 1 刮板输送机 工作面 SGZ764/500 部 1 运输平巷 SGB-630/150C 部 1 胶带输送机 SPJ-100/150 部 1 液压支架 ZY6000/22/45 个 68 乳化液本站 BRW315/31.5K 台 1 工作面平巷支护形式均采用锚网索W 型钢带联合支护。顶板采用锚网小 孔径预应力锚索补强联合支护方式。支护设计如图 2-2 所示。 图 2-2 12305 运输平巷支护设计 Fig. 2-2 12305transportation roadway support cross-sectional